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黑洞也“發光”像個甜甜圈

2019-4-11 10:47:23 來源:新華社

       千呼萬喚始出來。人類有史以來獲得的第一張黑洞照片在昨日公布。照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞,其質量是太陽的65億倍,距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構,看上去有點像甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“陰影”,明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。那么,這張照片在科學上到底有多重要?拍到黑洞照片有多難?中國又發揮了什么作用?

 

 

這是人類史上首張黑洞照片。新華社發



  愛因斯坦又對了


  “黑洞”作為一個科學術語在20世紀60年代才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出。但在兩百多年前,就有科研人員設想宇宙中存在一種質量巨大、引力強到連光也無法逃脫的天體。愛因斯坦在一百多年前提出的相對論預言了黑洞的存在,可用于計算出這種天體的若干性質。


  黑洞引發無數遐想,但沒人知道它在現實之中的真正模樣。正因如此,首張黑洞照片備受期待。“我們的宇宙中有兩大理論,愛因斯坦的相對論描述了宏觀,量子力學描述了微觀,但是在黑洞的邊緣,相對論與量子力學無法協調,在那里可能會發現新的東西。”給黑洞拍照的“事件視界望遠鏡”項目科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克告訴新華社記者,這涉及人類對宇宙的根本了解。


  在黑洞周圍,光線不能逃脫的臨界范圍被稱為黑洞的半徑或“事件視界”。“事件視界望遠鏡”實際上嘗試觀測的是黑洞的“事件視界”。項目專家表示,給黑洞拍照的關鍵科學目標之一,就是驗證廣義相對論在黑洞那里是否仍然成立。


  這也是對一百年前日食觀測的“回響”。1919年,人們在非洲和南美出現日食時觀測到光線的彎曲,從而驗證了相對論的正確性。最新發布的黑洞照片,又一次支持廣義相對論。不由讓人想起被多次重復的那句話:愛因斯坦又對了。


  此前科幻電影《星際穿越》中有科學家顧問根據相對論等模擬的黑洞圖片,兩者較相似。“事件視界望遠鏡”項目專家認為,與理論預測一致,也反過來證明拍到的就是黑洞。



  距地球5500萬光年


  “我們已經完成了上一代人認為不可能做到的事情,”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心天文學家謝潑德·杜勒曼說,“技術的突破、世界上最好的射電望遠鏡之間的合作、創新的算法”攜手打開了一個“了解黑洞的全新窗口”。


  由于光線無法逃出黑洞,科研人員要拍的,實際上是黑洞產生的“陰影”以及周圍的吸積盤等。此次拍照的一個目標是代號M87的超巨橢圓星系中心黑洞,距離我們有5500萬光年,實在太遠。


  要拍攝這么遠的對象,科學家要模擬出口徑像地球一樣大的望遠鏡,這就是“事件視界望遠鏡”,實際上集合了分布在全球各地的多個射電望遠鏡。從智利阿塔卡馬沙漠到南極冰原,從西班牙的高山到夏威夷的海島,通過“甚長基線干涉測量技術”聯合起來,成功拍到人類歷史上第一張黑洞照片。


  德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長、黑洞照片數據分析機構負責人安東·岑蘇斯對這項技術打了個比方:“如果地球是平的,那使用這一技術可以從波恩讀到紐約街頭報紙上的字。”


  望遠鏡數據又經過約兩年的處理及理論分析,才成功“沖洗”出黑洞照片。此次合作匯集了全球超過200名研究人員的共同努力,項目協調也非易事。法爾克說:“不同文化、不同機構、不同國家和大洲在這里走到一起,合作不總是容易的,但如果有共同愿景的驅動,有首次看到黑洞的共同夢想,合作就變得可能。”



  中國成“重要一員”


  在“事件視界望遠鏡”項目中,中國科學院天文大科學研究中心(國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺)參與運行了位于夏威夷的JCMT望遠鏡對黑洞的觀測,多名中國學者是本次在《天體物理學雜志通訊》發表的黑洞照片相關論文的作者。


  不過,中國天文學界清醒地認識到目前的“參與者”角色。中國科學院國家天文臺副臺長薛隨建指出,這次“算是重在參與”,但為中國在相關領域“機制性參與國際合作組織,逐漸發揮越來越重要的作用,做出了良好的示范”。


  太空可能是中國未來發揮更多作用的地方。法爾克說,今后要拍攝更好的黑洞照片,就需要比地球還大的望遠鏡,這就需要走向太空,“中國在射電干涉測量技術和太空探索方面的能力正快速增長,我期待未來中國能成為這個領域的重要一員。”


  回顧與國際專家共同獲取人類首張黑洞照片的經歷,中國科學院上海天文臺研究員路如森說:“作為長期深度參與‘事件視界望遠鏡’國際合作的中國研究人員,我覺得這張黑洞照片是科學共同體的努力結果。科學對人類發展至關重要,人類的科學共同體也是人類命運共同體的重要組成部分。”



  科研領域全球同步


  從美國夏威夷到智利,從伊比利亞半島到南極……全球30多個研究所,200多名科學家,傾數年心血,攜手并肩。正是全球同步的努力,讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。


  在這一“興師動眾”的過程中,科研領域全球同步的作用愈發凸顯。正如法爾克所說,這樣的項目需要整個世界。事實上,觀測黑洞項目,讓地球上幾乎所有這一領域的研究人員都不同程度地以不同方式參與其中。科學探索,正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起,不僅讓地球,也讓人類成為一個共同體。


  無論是對黑洞概念懵懵懂懂的早期天文學家、發表廣義相對論的愛因斯坦、獲得黑洞存在證據的引力波項目團隊,還是今天共同拍攝黑洞照片的各國科研人員,讓人類持續探索并不斷取得進步的動力之一,正是人類作為一個共同體對宇宙和自身的好奇心。


  探索未知,是人類拓展自身疆界的重要過程。天文學的進步,也同時推動數學、物理學、化學、計算機等多個學科并肩前行。而只有多領域、多學科并行發展,更大尺度地拓展國際合作范圍、更深入地探索國際合作模式,人類探索未知的視野才可能變得更加開闊。


  無論仰望星空,還是審視自己,當地球上的人們全體凝視同一方向,如同黑洞這樣曾經深藏不露的未知,終將一個接一個“顯露光芒”。



  點擊

  吞噬一切的黑洞


  科學界普遍認為,黑洞是宇宙中最神秘的天體,幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處,其周圍形成一個強大的引力場,在一定范圍之內,連光線都無法逃脫。


  這個邊界稱作“事件視界”,本次發布黑洞照片的國際組織,就叫做“事件視界望遠鏡”項目。


  根據理論推算,銀河系中光恒星量級的黑洞就有上千萬個。天文學界認為,許多星系中央都有超大質量黑洞。


  天文學家根據質量將宇宙中的黑洞分成了三類:恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)。


  盡管黑洞無法直接觀測,但由于黑洞的引力會吸積物質到它附近,周圍通常都有一個吸積盤環繞。吸積盤非常熱且亮,與黑洞對比明顯,因此可以通過觀測吸積盤來為黑洞拍照。綜合新華社電


 

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